Żywice jonowymienne do odbarwiania cukru: Bezbarwne kryształki i klarowny syrop

2009-10-13

Do produkcji białego cukru kryształu lub bezbarwnego roztworu cukru z trzciny cukrowej czy też z buraka cukrowego stosuje się proces wieloetapowy. Żywica jonowymienna odgrywa szczególnie istotną rolę w odbarwianiu surowych roztworów, które przybierają barwy od żółto-brązowej po brązową. Odpowiednio dobrane żywice wraz ze specjalnie przystosowanymi procesami odbarwiania pozwalają spełnić ostre wymagania jakościowe ustalone przez przemysł spożywczy.

Cukier z trzciny cukrowej i buraka cukrowego

Trzcina cukrowa (Saccharum officinarum) i burak cukrowy (Beta vulgaris) to główne składniki przemysłowej produkcji cukru. Trzcina cukrowa, szczególnie z Brazylii, Indii i Chin, stanowi około 55 % światowej produkcji cukru, która w rolniczym roku gospodarczym 2006/2007 wyniosła ponad 160 milionów ton. Unia Europejska produkuje natomiast cukier niemal wyłącznie z buraka cukrowego. W latach 2006/2007, ze 110 milionów ton buraka cukrowego wyprodukowano około 17 milionów ton cukru. Pozostałymi wiodącymi producentami buraka cukrowego są Stany Zjednoczone, Rosja i Ukraina.

Roztwory cukru surowego powstałe w wyniku ekstrakcji miąższu buraka cukrowego oraz, w coraz większym stopniu, sok ekstrahowany z trzciny cukrowej mają zwykle żółto-brązowy lub brązowy kolor. To ubarwienie staje się jeszcze bardziej intensywne w procesie przetwarzania jako wynik działania takich procedur, jak kataliza enzymatyczna i indukcja cieplna. Dotyczy to również reakcji Maillarda pomiędzy cukrem i aminokwasami, enzymatycznego brązowienia i karmelizacji. Zabarwione produkty są także wytwarzane poprzez rozkład cukrów w środowisku zasadowym. Intensywność zabarwienia jest wyznaczana fotometrycznie zgodnie z Międzynarodową Komisją Jednolitych Metod Analityki Cukrowniczej (ICUMSA) [1]. Jest ona określona w ICU (International Color Units) i jest istotnym kryterium jakości. Żywice jonowymienne są wykorzystywane do różnych celów podczas procesu tworzenia bezbarwnego cukru kryształu lub bezbarwnych roztworów cukru do zastosowań w przemyśle np. w przemyśle napojów.

Schematyczny diagram procesów oczyszczania i odbarwiania surowych roztworów cukru (przybliżona intensywność barwy ICU, odbarwienie na każdym etapie procesu - niebieski, %)


W tradycyjnych procesach wymiany jonowej, szczególnie żelowe żywice jonowymienne, umożliwiają selektywne usunięcie soli mineralnych z roztworów. W przeciwnym razie sole te zepsułyby smak cukru i powstałych z niego produktów.

W dodatku, szczególnie makroporowate żywice jonowymienne mogą zachowywać się jak pochłaniacze, które wiążą barwne zanieczyszczenia, tym samym usuwając je z roztworów. Istotną rolę odgrywają tu jonowe interakcje z zanieczyszczeniami i hydrofobowe interakcje, zachodzące pomiędzy niepolarnymi obszarami molekuł chromoforu i macierzy żywicy. Pojedyncze lub wieloetapowe procesy oczyszczania i/lub połączenia różnych żywic są stosowane w zależności od poziomu zanieczyszczenia lub intensywności barwy roztworu.

Odbarwianie za pomocą żywicy jonowymiennej stanowi uzupełnienie tradycyjnych metod oczyszczania, z których najistotniejszą jest krystalizacja. Do innych metod stosowanych w procesie oczyszczania zaliczane jest klarowanie przez karbonizację i fosforanowanie, w którym zanieczyszczenia są odfiltrowywane, a także afinacja zanieczyszczeń z pulpy krystalicznej (magmy).

Żywice absorbujące są efektywniejsze od tradycyjnych, aktywnych filtrów węglowych, w szczególności dla roztworów z wyłącznie umiarkowanym barwieniem (< 1,000 ICU). Regeneracja filtrów węglowych jest nie tylko bardziej czasochłonna, sprawia też, że procesy regeneracji nie mogą być zazwyczaj wykonywane w tym samym miejscu, co generuje dodatkowe koszty i zmniejsza wydajność systemu. W przeciwieństwie do filtrów węglowych, żywice jonowymienne z molekułami barwiącymi mogą być szybko przygotowane do ponownego działania poprzez płukanie roztworem soli – czynność tą można wykonywać kilkakrotnie.

Działanie makroporowatych żywic odbarwiających

Specjalne makroporowate żywice jonowymienne – bazujące przede wszystkim na polimerach styrenu i usieciowane jednostkami diwinylobenzenu [2] zostały opracowane specjalnie do użytku w przemyśle spożywczym. Te żywice jonowowymienne zgodne są z wymogami dotyczącymi żywności w wielu państwach świata.

Są one wykorzystywane do odbarwiania roztworów cukru, zazwyczaj w filtrach cylindrycznych. Średnica filtrów wynosi od 50 do 400 cm, a ich wysokość od 100 do 400 cm. Filtry wypełniane są żywicą do poziomu 100-200 cm. Typowe natężenie przepływu podczas procesu jest rzędu 2,0-2,5 objętości złoża na godzinę (bv/h).

Rozkład wielkości cząsteczek dla heterodyspersyjnych i monodyspersyjnych żywic jonowymiennych w procesie odbarwiania roztworów cukru


Zarówno żywice mono-, jak i heterodyspersyjne są wykorzystywane w procesie odbarwiania cukru. Jeśli żywice heterodyspersyjne odznaczają się drobnoziarnistością, nadają się także do filtracji skoncentrowanych roztworów o wysokiej lepkości np. syropów. Właściwość ta jest charakterystyczna dla żywic monodyspersyjnych.

Przy określonym natężeniu przepływu roztworu cukru w kolumnie z żywicą, spadek ciśnienia jest zawsze niższy przy udziale monodyspersyjnych żywic jonowymiennych niż w przypadku żywic heterodyspersyjnych (rys.3). Ponadto maksymalny dopuszczalny spadek ciśnienia dla żywic monodyspersyjnej wynosi 300 kPa, o 50 kPa więcej niż dla heterodyspersyjnej żywicy jonowymiennej. Oba efekty doskonale się uzupełniają podczas filtracji surowych roztworów cukru o wysokim zmętnieniu, spadek ciśnienia w filtrze musi być ograniczony w celu uniknięcia uszkodzenia żywicy.

Żywice monodyspersyjne są korzystne dla regeneracji, co odzwierciedlone jest w ilości czasu i wody wymaganych na tym etapie procesu. Dzięki standaryzowanej długości dyfuzji, żywice mondyspersyjne wymagają około 30% mniej czystej wody po właściwym procesie regeneracji – pomimo tego, że charakteryzują się dużą porowatością.

Porównanie spadku ciśnienia na metr grubości warstwy dla heterodyspersyjnych, monodyspersyjnych i makroporowatych żywic jonowymiennych dla różnych szybkości przepływu (70 °C, 65 % suchej masy w roztworze)


Zmiana zabarwienia, czyli kolor jaki pozostał w oczyszczonym roztworze cukru, wynika z początkowej zawartości barwnika oraz ilości roztworu uprzednio przefiltrowanego przez żywicę jonowymienną (rys.4). Roztwory do 500 ICU wykazują tylko stopniowy wzrost intensywności koloru jaki pozostał w roztworze, podczas gdy żywica absorbująca szybko traci skuteczność, gdy w początkowym roztworze występują znacznie wyższe stężenia barwnika. W takich przypadkach zalecane jest przeprowadzenie wstępnego oczyszczania przy użyciu innych metod.

Zmiana zabarwienia roztworów cukru (65% suchej masy) w zależności od barwy początkowej i całkowitej jakości filtracji (75 °C, ... 2bv/h czas trwania cyklu 48 h) dla heterodyspersyjnej, monodyspersyjnej i makroporowatej żywicy jonowymiennej


Żywice jonowymienne w produkcji cukru

Żywice jonowymienne uzupełniają i poszerzają zakres procesu dla produkcji przemysłowej cukru. Pomagają uzyskiwać większe plony, zmniejszać straty i spełniać coraz to większe wymagania jakościowe. Przykładowo, często tylko barwy mieszczące się w przedziale od 25-50 ICU są akceptowalne. Długa żywotność żywic a także ich prosta i opłacalna regeneracja umożliwiają ich korzystne zastosowanie w procesie.

Poza odsalaniem i odbarwianiem roztworów cukru, żywice jonowymienne są również stosowane do hydrolizy disacharydów, szczególnie sacharozy, a także do obróbki rozcieńczonych roztworów. Mogą być stosowane
np. do odsalania serwatki, moszczu i soków owocowych czy też do usuwania zbędnego kwasu i goryczy z soku pomarańczowego.

Bibliografia:
[1] International Commission for Uniform Methods of Sugar Analysis (ICUMSA), ICUMSA Methods Book, Verlag Dr. Albert Bartens KG, Berlin 2007.
[2] Ion exchange resins from the Lewatit® S range of Lanxess Deutschland GmbH, specifically Lewatit® S 6328 A (heterodisperse) or Lewatit® S 6368 (monodisperse).

Autorzy
Hans-Karl Soest
LANXESS Deutschland GmbH, Żywice Jonowowymienne – jednostka organizacyjna, Leverkusen

Dr. Thomas Schmidt
Redakcja do spraw biznesu, nauki i technologii, Mülheim an der Ruhr

LANXESS jest wiodącym koncernem produkującym wyroby z dziedziny chemii specjalistycznej, którego obrót w 2008 roku wyniósł 6,58 miliarda euro i który obecnie zatrudnia blisko 14 800 pracowników w 21 krajach. Przedsiębiorstwo jest obecne w 44 lokalizacjach produkcyjnych na całym świecie. Głównym przedmiotem działalności koncernu LANXESS jest rozwój, produkcja i dystrybucja tworzyw sztucznych, kauczuków, półfabrykatów i specjalistycznych chemikaliów.